在設(shè)計階段優(yōu)化DC/DC轉(zhuǎn)換器的頻率特性：通過評估頻率特性來確認(rèn)輸出穩(wěn)定性和響應(yīng)性

在DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計中，為了使DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計電路在實際使用條件下能夠穩(wěn)定運行，并完成滿足設(shè)備性能和規(guī)格的電源設(shè)計，除靜態(tài)特性外還需要評估動態(tài)特性。其中，DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓的穩(wěn)定性和響應(yīng)性是重要的確認(rèn)點，因此有必要了解DC/DC轉(zhuǎn)換器的頻率特性以進行相應(yīng)的確認(rèn)和調(diào)整。此次我們就DC/DC轉(zhuǎn)換器的頻率特性和評估方法咨詢了應(yīng)用工程師愛宕 崇之先生。

首先，請介紹一下為什么要評估和了解DC/DC轉(zhuǎn)換器的頻率特性？

我認(rèn)為所有設(shè)計都是相同的，都需要在完成桌面上的電路設(shè)計后，試制并評估是否達到了設(shè)計目標(biāo)。對于DC/DC轉(zhuǎn)換器來說，除了要確認(rèn)作為電源的基本工作（例如輸出電壓精度和最大輸出電流）外，確認(rèn)輸出電壓的穩(wěn)定性和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性也是非常重要的。由于穩(wěn)定性和響應(yīng)性基本上都涉及到設(shè)計的DC/DC轉(zhuǎn)換器的頻率特性，因此有必要確認(rèn)頻率特性并根據(jù)確認(rèn)結(jié)果進行優(yōu)化。

您能具體解釋一下輸出電壓的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)性嗎？

我想使用這張圖來對每個概念進行說明。

首先，讓我們從只能用此圖解釋的響應(yīng)性開始。在這張示意圖中，使用開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器將12V電池電壓降至5V，并用作微控制器的電源。此外，該5V電壓由電壓監(jiān)控IC（通常也稱為“復(fù)位IC”）監(jiān)測，當(dāng)電壓低于設(shè)定值時，會將復(fù)位信號發(fā)送到微控制器。這是一個很常見的電路示例。

輸出電壓的響應(yīng)性是將因負(fù)載電流的急劇變化而瞬間波動的輸出電壓復(fù)原的動作。通常，期望在電壓波動盡可能小的期間內(nèi)就做出響應(yīng)，并在盡可能短的時間內(nèi)將電壓穩(wěn)定在設(shè)置電壓。

在該圖中有兩個示例，一個是負(fù)載電流急劇上升，5V輸出電壓瞬間下降；另一個是負(fù)載電流急劇下降，輸出電壓瞬間上升到5V以上。如果因負(fù)載電流的突然增加而下降的輸出電壓超過了復(fù)位IC的閾值，則會發(fā)出不必要的復(fù)位信號，從而使微控制器復(fù)位。此外，如果因負(fù)載電流的突然降低而導(dǎo)致輸出電壓突然升高，并且超過微控制器的電源電壓額定值，則微控制器可能會發(fā)生誤動作甚至損壞。這對于從休眠狀態(tài)瞬間全負(fù)荷運行的設(shè)備（例如微控制器和CPU）的電源來說，這是必不可少的確認(rèn)項目，反之對于從全負(fù)荷運行狀態(tài)瞬間休眠的設(shè)備來說亦然。

通過調(diào)整DC/DC轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)特性，可以對這些項目進行優(yōu)化和處理，以使電壓波動不超過復(fù)位IC的閾值或后段元器件的電源額定值。

原來如此。如果瞬態(tài)響應(yīng)特性未得到優(yōu)化，在某些情況下可能會引發(fā)致命問題吧。

是的。下面我們來介紹輸出電壓的穩(wěn)定性。這里所說的輸出電壓的穩(wěn)定，指的是在輸出中不會發(fā)生過度振鈴和振蕩。振蕩的波形示例如下。DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓包含由開關(guān)引起的紋波電壓，不是理想的DC電壓，但振蕩是與紋波不同的一種異?，F(xiàn)象。這個波形圖是當(dāng)施加負(fù)載時就會出現(xiàn)明顯振蕩狀態(tài)的DC/DC轉(zhuǎn)換器示例。

一提到振蕩，就會想到使用了運算放大器的電路，原來DC/DC轉(zhuǎn)換器也會發(fā)生振蕩啊。

DC/DC轉(zhuǎn)換器振蕩是因為它使用反饋電路來控制輸出電壓以使之保持恒定。因此，振蕩的原理和條件與運算放大器相同。順便說一下，由于LDO等線性穩(wěn)壓器也使用反饋控制方式，因此它們也會在某些條件下發(fā)生振蕩。理解了發(fā)生振蕩的原理有助于了解頻率特性，因此我會稍微詳細(xì)地對其進行說明。

DC/DC轉(zhuǎn)換器IC的內(nèi)部電路大致配置如下。紅色箭頭的A點和B點最初是連接在一起的，但是故意將用來輸出控制的反饋信號B和基于該反饋信號的控制信號A（輸出）分開了。

輸出電壓通過由R1和R2組成的分壓電阻反饋到IC內(nèi)部的誤差放大器輸入。誤差放大器對基準(zhǔn)電壓與輸出電壓進行比較，如果輸出電壓高于設(shè)定電壓，將進行降低的控制；如果低于設(shè)定電壓，將進行升高的控制，以保持輸出電壓恒定。

由于該反饋控制是負(fù)反饋，所以控制信號A的相位相對于反饋信號B的相位有180度的偏差。從波形圖中可以看到相位的關(guān)系。

然而實際上，在IC內(nèi)部處理并輸出信號之前是需要花費時間的，會產(chǎn)生延遲時間。因此，隨著頻率變得更快，相位會因延遲時間而越來越滯后。當(dāng)相位接近0度時，將處于不穩(wěn)定狀態(tài)，如果滯后到0度，則負(fù)反饋將變?yōu)檎答?，并發(fā)生異常振蕩。

當(dāng)運算放大器電路發(fā)生振蕩時，是否意味著“相位裕度不足”？

基本上是的。剛剛我只提到了“相位滯后”，但實際上，穩(wěn)定性是可以通過基于相位特性和增益特性的“波特圖”來鑒別的。

說到波特圖，也就是說頻率特性與DC/DC轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性和響應(yīng)性能是息息相關(guān)的，對吧？

是的。接下來我來具體解釋一下穩(wěn)定性、響應(yīng)性和頻率特性之間的關(guān)系。我們邊整理之前提到的內(nèi)容邊進行解釋說明。

穩(wěn)定性是“輸出電壓相對于振蕩條件具有多少余量”，響應(yīng)性是“當(dāng)輸出電壓波動時，直到輸出電壓恢復(fù)到設(shè)定值時的響應(yīng)時間”。相位裕度、增益（Gain）裕度、穿越頻率是用作確認(rèn)這些特性的參數(shù)。這些參數(shù)可以從其DC/DC轉(zhuǎn)換器的波特圖中讀取?？聪旅孢@張圖，圖中包括波特圖和各個參數(shù)、以及穩(wěn)定性和響應(yīng)性之間關(guān)系。

首先，我在表格中總結(jié)了各個參數(shù)的測量點、穩(wěn)定性和響應(yīng)性之間的關(guān)系、以及數(shù)值和特性的趨勢，我們根據(jù)這份表格來看波特圖。

如表格和圖片中的藍(lán)色、紅色和綠色框內(nèi)的說明所示，相位裕度是增益為0db時的相位，增益裕度是相位為0deg（度）時的增益，穿越頻率是增益為0db時的頻率。

相位裕度和增益裕度與穩(wěn)定性息息相關(guān)，并且它們越大，穩(wěn)定性越高，發(fā)生振鈴或振蕩的可能性就越小。另外，穿越頻率與響應(yīng)性息息相關(guān)，穿越頻率越高，響應(yīng)性越好，并且由于負(fù)載瞬態(tài)而導(dǎo)致的輸出波動越小。

在這張波特圖上，繪有表示相位特性的曲線（藍(lán)色）和表示三種類型的增益特性的曲線（增益1：紅色，增益2：粉紅色，增益3：橙色）。

增益1是標(biāo)準(zhǔn)示例。增益1為0dB時的頻率，即穿越頻率約為85kHz（綠色圓點），此時的相位裕度約為55deg（淺藍(lán)色圓點/藍(lán)色雙向箭頭①）。當(dāng)相位為0deg時，增益裕度約為15dB（紅色圓點）。圖中的說明中給出了每個參數(shù)的參考值，可以作為參考。

增益2是假設(shè)增益較低時的示例。由于增益低于增益1，因此穿越頻率降低至大約9kHz，并且相位裕度超過了100deg（藍(lán)色雙向箭頭②）。增益裕度（增益2曲線上的紅色正方形點）也達到30dB以上，并且隨著相位裕度的增加而增加，穩(wěn)定性趨于提高。但是，隨著穿越頻率的下降，響應(yīng)速度會降低。

增益3是假設(shè)增益較高時的示例。由于增益高于增益1，穿越頻率上升到了約180kHz，相位裕度減小到了約20deg（藍(lán)色雙向箭頭③）。增益裕度（增益3曲線上的紅色正方形點）也降低到了5dB左右。在該示例中，較高的穿越頻率實現(xiàn)了更好的響應(yīng)性，但是相位裕度和增益裕度都減少了，穩(wěn)定性降低。

正如您可能已經(jīng)注意到的，在穩(wěn)定性和響應(yīng)性之間存在此消彼長的關(guān)系，這個提高那個就會降低。因此，在設(shè)計過程中，需要根據(jù)電路條件優(yōu)化穩(wěn)定性和響應(yīng)性。

我們已經(jīng)了解了要確認(rèn)DC/DC轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性和響應(yīng)性就需要評估頻率特性這一點。那么如何獲得DC/DC轉(zhuǎn)換器的頻率特性呢？

要測量頻率特性，使用頻率特性分析儀（FRA：Frequency Response Analyzer）既簡單又可靠。下面是實際的FRA和測量電路。實際上您前面看到的波特圖就是使用FRA獲得的。

要測量DC/DC轉(zhuǎn)換器的頻率特性，需要斷開反饋環(huán)路的輸出和分壓電阻（如測量電路圖中所示），插入預(yù)定的電阻（注入電阻），并將FRA連接于該電阻兩端。之后，幾乎可以自動測量相位裕度和增益裕度，并以圖形顯示出來。

看起來比較簡單，但是在實機確認(rèn)時是不是需要加工電路板？

實際上確實如此。雖然使用FRA可以輕松測量頻率特性，但這當(dāng)中并非沒有課題。您剛才提出的問題便是其中的一個課題，由于元器件的小型化和高密度安裝，如今常常很難加工實機電路板以對其進行測量。另外，即使可以測量頻率特性，也需要反復(fù)更改相應(yīng)電阻和電容器的值并重新測量頻率特性以進行調(diào)整和優(yōu)化的工作。一遍又一遍地更換實機電路板上小小的芯片是一項相當(dāng)艱巨的工作。

也就是說，優(yōu)化頻率特性需要反復(fù)更改相應(yīng)部件的常數(shù)并重新測量來反復(fù)試驗，這對于部件日益小型化和安裝日益高密度化的電路板而言并非易事。

的確如此。而且，很多情況下，一開始并沒有昂貴的FRA。

那么，如果無法使用FRA該怎么辦？

我認(rèn)為作為對實際測量的補充，仿真非常是有用的。近年來，許多仿真器都能夠?qū)︻l率特性和負(fù)載響應(yīng)特性進行仿真，并且IC制造商也提供了用于仿真的器件模型和包括外圍電路的模型。

的確，最近經(jīng)常聽到關(guān)于在設(shè)計中使用仿真的話題。那么現(xiàn)在讓我們談?wù)劮抡妗?/p>

＜未完待續(xù)＞

審核編輯：湯梓紅